Principe des moteurs pas à pas


Les moteurs pas à pas sont utilisés pour les positionnements angulaires précis (imprimantes, scanners, disques durs ...). Contrairement aux moteurs à courant continu, ils ne nécessitent pas de boucle d'asservissement et sont plus simples à commander.
Il existe trois types de moteur : à aimant permanent, à reluctance variable et hybrides. Dans tous les types de moteur, on positionne le rotor en modifiant la direction d'un champ magnétique crée par les bobinages du stator. Ils nécessitent un circuit de commande qui comporte une partie logique et une commande de puissance. La partie logique détermine pour chaque pas quelles sont les bobines alimentées et le sens de rotation. La fréquence de l'horloge du circuit logique détermine la vitesse de rotation
Moteurs à aimant permanent :
C’est le modèle dont le fonctionnement est le plus simple. Le rotor est constitué d’un aimant permanent, et le stator comporte deux paires de bobines. En agissant sur les bobines alimentées, et le sens des courants, on fait varier le champ créé par le stator.
A chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 90°. L’aimant permanent suit le déplacement du champ magnétique créé par les bobines et s’oriente selon une de ses quatre positions stables. Comme le rotor est aimanté, lorsque le moteur n’est pas alimenté le flux magnétique du à l’aimant permanent crée un couple résiduel en se plaçant dans l’axe de l’une des bobines.
Pour augmenter le nombre de positions stables et donc de pas du moteur à aimant permanent, on peut alimenter successivement une puis deux paires de bobines : c'est le mode "demi-pas". A chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 45°. Dans ce mode, le couple est différent pour les pas pairs et impairs. Les moteurs pas à pas à aimant permanent ont un couple moteur important, mais un nombre de pas par tour faible, et une fréquence de rotation maximale faible. La commande de ces moteurs pas à pas nécessite de contrôler le sens du courant dans chaque bobine.
Moteurs à réluctance variable :
Le rotor est en fer doux et comporte un nombre de pôles différent du stator. Le rotor se déplace pour que le flux le traversant soit maximum. Ces moteurs n'ont pas de couple de maintien si aucune bobine n'est alimentée.
Moteurs hybrides :
Le rotor est constitué par deux pièces en fer doux ayant chacune n pôles séparées par un aimant permanent magnétisé dans le sens de l'axe du rotor. Le nombre m de pôles du stator est différent de celui du rotor. Le rotor se déplace pour que le flux qui le traverse soit maximum. En mode pas entier, les bobines sont alimentées paire par paire alternativement avec inversion à chaque pas. Il est nécessaire d'avoir un rotor polarisé pour imposer le sens de rotation à chaque commutation.
Pour le modèle présenté, (stator avec deux paires de bobines et rotor avec rotor à deux fois trois pôles) à chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 30° en mode "pas entier" et de 15° en mode "demi-pas".
Un modèle classique comporte un stator avec 8 pôles ayant chacun 5 dents et un rotor avec 2 pièces de 50 dents ce qui donne 200 pas par tour en mode "pas entier".

Utilisation
Le slider "Vitesse" modifie la vitesse de l'animation : il correspond au réglage de l'horloge du contrôleur.
La case "Rotor bipolaire" correspond à un moteur à aimant permanent avec 4 pas par tour.
La case "Moteur hybride" correspond à un moteur avec un stator de 4 dents et un rotor avec 2 fois 3 dents ce qui correspond à un moteur à 12 pas.
Les cases "Pas entier" et "Demi-pas" permettent de changer de mode pour les deux moteurs.
Les pôles Nord sont représentés en rouge et les pôles Sud en bleu.
A droite un tableau indique pour chaque pas le type d'alimentation des quatre bobines.
La culasse des bobines du stator n'est pas représentée.

Vérifier que la position du rotor correspond dans tous les cas à un flux maximum dans celui-ci.


Moteur pas à pas à aimant permanent.

Le schéma de principe de ce moteur correspond à l'animation quand la case "Rotor bipolaire" est cochée.

La réalisation pratique de ce moteur est fort différente de son schéma de principe :
L'aimant (ferrite noire) est coaxial avec l'axe de rotation.
Les bobines (2 bobinages à point milieu), également coaxiales avec l'axe de rotation, sont superposées.